El nacimiento de la Vía Láctea

El objetivo de las simulaciones de astrofísica es modelar la realidad en la debida consideración de las leyes físicas y procesos. Las observaciones astronómicas del cielo y las simulaciones astrofísicas tienen que coincidir exactamente. Ser capaz de simular un sistema complejo como la formación realista de la Vía Láctea es la prueba definitiva de que las teorías que subyacen de la astrofísica son correctas. Todos los intentos anteriores para recrear la formación de las galaxias espirales como la Vía Láctea falló en uno de los dos puntos: o bien las galaxias espirales simuladas muestran demasiadas estrellas en el centro o la masa estelar total fue varias veces demasiado grande. Un grupo de investigación dirigido conjuntamente por Lucio Mayer, un astrofísico de la Universidad de Zurich, y Piero Madau, un astrónomo de la Universidad de California en Santa Cruz, ahora publica la primera simulación realista de la formación de la Vía Láctea, en la revista Astrophysical Journal . Javiera Guedes y Simone Callegari, que son estudiantes de

doctorado en Santa Cruz y la Universidad de Zurich, respectivamente, realizaron la simulación y analizaron los datos. Guedes va a trabajar en la formación de las galaxias como un post-doctorado en Zurich a partir del otoño.

Eliminación central de la materia estándar a la formación de las galaxias espirales

Para su estudio, los científicos desarrollaron una simulación de gran complejidad en la que una galaxia espiral similar a la Vía Láctea se desarrolla por sí misma sin necesidad de intervención. Lleva el nombre de Eris, la diosa griega de la disputa y la discordia, a causa de las décadas de debate en torno a la formación de las galaxias espirales, la simulación ofrece una visión en el tiempo de casi toda la génesis de una galaxia espiral. Sus orígenes se remontan a menos de un millón de años después del Big Bang. "Nuestros resultados muestran que una galaxia espiral realista puede ser formada en base a los principios básicos del paradigma de la fría materia oscura y las leyes físicas de la gravedad, la dinámica de fluidos y la radiofísica", explica Mayer.

La simulación también muestra que en una entidad que se supone se transforma en una galaxia espiral, las estrellas en las áreas con gigantescos complejos de nubes de gas que tienen que formarse. En estas gigantescas nubes frías moleculares, los gases presentan densidades extremadamente altas. La formación de estrellas y la distribución no se produce de manera uniforme, sino más bien en grupos y cúmulos. Esto, a su vez se traduce en una mucho mayor acumulación de calor a través de explosiones de supernovas locales. A través de esta masiva acumulación de calor, la materia visible estándar se elimina alto corrimiento hacia al rojo. Esto evita la formación de un disco cóncavo en el centro de la galaxia. La eliminación de la materia bariónica, como la materia visible estándar también se conoce y también reduce la masa total del gas presente en el centro. Esto da lugar a la formación de la masa estelar correcta, como se puede observar en la Vía Láctea. Al final de la simulación, se produce un delgado disco curvado que se corresponde plenamente con las observaciones astronómicas de la Vía Láctea, en términos de masa, momento angular y la velocidad de rotación.

Potencia de cálculo astronómico

En los cálculos, el modelo de Mayer y compañía para la simulación de las galaxias en forma de disco enanas y publicado en la revista Nature en 2010 fue perfeccionado. El modelo de alta resolución simula la formación de una galaxia con 790 mil millones de masas solares y cuenta con 18,6 millones de partículas, que forman los gases, la materia oscura y las estrellas. La alta resolución de las simulaciones numéricas es esencial para los nuevos resultados innovadores. Para los cálculos, fueron usadas las supercomputadoras de alto rendimiento Cray XT5 "Monte Rosa" en suiza ETH de Zurich, Centro Nacional de Supercomputación (CSCS) y las Pléyades de la División por Supercomputación Avanzada de la NASA. Un PC normal habría necesitado 570 años para hacer los cálculos.

En la parte superior, en la imagen se ve un borde de nuestra galaxia simulada, como un observador lo vería si pudiera entrar en el ordenador y ver la luz emitida por nuestras estrellas simuladas. Podría ver claramente que la galaxia está compuesta por un delgado disco de estrellas, y una brillante, pequeña protuberancia en el centro. En la parte inferior, una imagen real de nuestra galaxia, la Vía Láctea y como lo ve en el infrarrojo, donde las estrellas emiten la mayor parte de su luz. También en este caso, la Vía Láctea se ve de canto, ya que nuestro sistema solar se encuentra en el plano del disco. Crédito: Two Micron All Sky Survey (2MASS), de la Universidad de Massachusetts y el Procesamiento y Análisis Infrarrojo del Centro / Instituto Tecnológico de California

Las estrellas y los gases en el borde más exterior de la galaxia, los gases calientes en su centro

La nueva simulación confirma los resultados de la formación de galaxias enanas en forma de disco publicado por Mayer y demuestra que el modelo - a diferencia de los enfoques anteriores - puede volver a crear pequeñas y grandes galaxias extremadamente realistas. Por otra parte, en la simulación también se deduce que las protogalaxias con un disco grande de gases y las estrellas en el centro se forman mil millones de años después del Big Bang, y por lo tanto mucho antes de nuestras galaxias actuales.

Basado en la simulación, la proporción de "materia oscura fría" (MDL) y la materia normal en las galaxias espirales también se puede ajustar. Con el fin de obtener la correcta masa estelar en general en la etapa final de la galaxia - hasta ahora, una de las principales dificultades - es imprescindible que la materia normal se elimine del centro por los vientos de las supernovas. Según la simulación, es muy probable que la relación de la materia a nivel del MDL en el borde más exterior de los anillos del MDL de una galaxia en espiral sea de 01:09, no 01:06, como se suponía.

La simulación también predice estrellas y gases para el halo exterior de la Vía Láctea a 600.000 años luz de distancia. Sólo la próxima generación de sondas espaciales y telescopios serán capaces de detectar estas estrellas extremadamente débiles. Además, la simulación hace predicciones con respecto a la distribución radial de los gases calientes alrededor del disco central de la galaxia. Los futuros telescopios capaces de medir los rayos X, como la Misión de IXO de la Agencia Espacial Europea (ESA) tiene previsto, por ejemplo, poner a prueba estas predicciones.